米乐m6官方网站纳米材料研究所（NMRI；所长：佐佐木刚）Kazutomo Suenaga（首席高级研究员）；主席：Ryouji Chubachi）和 Ryosuke Senga（研究员），NMRI、AIST 电子显微镜小组，已成功以单个原子的精度水平可视化包括锂在内的轻元素。

人们认为通过电子显微镜观察锂很困难。在这项研究中，研究人员通过将锂原子限制在纳米空间中，同时通过低加速电子显微镜成像和电子能量损失光谱（EELS）进行元素分析，首次成功实现了单个锂原子的可视化。与锂的情况一样，研究人员能够可视化氯、钠和氟的单个原子，而这些原子也很难通过电子显微镜观察到。

这项研究是日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创造研究促进计划和日本学术振兴会科学研究补助金的一部分。研究详情将在线发布于自然通讯2015 年 7 月 31 日（日本时间）。

所开发方法的示意图（左）和实际拍摄的单原子锂图像（右） EM：电子显微镜

由于锂是在二次电池等各种工业产品中使用并发挥重要作用的元素之一，因此有必要详细研究锂的结构和行为，以提高此类产品的性能。研究原子的方法有多种，但从可以直接研究原子的状态和行为的角度来看，使用电子显微镜的方法是理想的。通常，电子显微镜通过将电子辐射至样品并与样品中的原子碰撞来检测散射电子等来形成图像。然而，锂等轻元素很难用电子显微镜观察到。这是因为与重元素相比，与锂碰撞产生的散射电子数量极少，无法获得清晰的图像。

轻元素的原子很容易被电子束弹动，这也是一个主要问题。因此，除非多个原子在足够厚度的晶体中垂直排列（原子柱），否则使用传统电子显微镜将无法观察到轻元素（图1）。然而，在二次电池的情况下，锂在化学反应期间在物质之间移动，锂原子并不总是规则排列。为了检查这种“未知状态的原子”，需要直接“观察”包括锂在内的轻元素的单个原子的技术。

图1：传统电子显微镜方法观察轻元素

AIST 已开发出以单原子精度水平分析元素的技术（AIST 新闻稿于 2009 年 7 月 6 日，2010 年 1 月 12 日，2010 年 12 月 16 日和 2012 年 7 月 9 日）。另外，产业技术研究院还开发了通过组合由两种元素等构成的原子链来控制各个原子的位置的技术。AIST 新闻稿，2014 年 9 月 16 日)。在这项研究中，通过结合这些技术，研究人员将重点放在锂的单原子分析上，这一直被认为是困难的。

本研究得到了JST战略创造研究推进计划“开发低加速电子显微镜以在原子水平上分析物质和生命的功能”（2012财年-2016财年，研究负责人：末永和友）和科学研究补助金：由年轻研究人员进行（B）“低维材料原子尺度评估和应用的基础技术开发”日本学术振兴会的“使用纳米基地”（2014 年度 - 2016 年度，研究负责人：Ryosuke Senga）。

结合低加速电子显微镜和EELS，研究人员分析了锂（Li）、钠（Na）、氟（F）和氯（Cl）的单个原子。这些元素具有高度反应性，通常与其他元素键合，并以化合物形式存在。然而，当试图用电子显微镜观察此类化合物中的轻元素时，轻原子会被电子束弹起，化合物很容易被破坏。在本研究中，通过使用碳纳米管或富勒烯作为限制轻元素和含有轻元素的化合物的屏蔽材料，减少了电子束造成的损伤。此外，为了观察单个原子，将化合物细化至单原子线或双原子线的宽度。在图2中，示出了限制在碳纳米管中的包含各种轻元素的原子链的传统电子显微镜图像(左)和通过开发方法(右)的电子显微镜图像。将各个原子链的结构模型与常规电子显微镜图像进行比较，虽然重元素清晰地观察到亮点，但轻原子的图像并不清晰，它们是什么元素甚至是否存在都无法确定。相反，通过使用所开发的方法识别每个元素的图像和每个元素的位置，并将图像与常规电子显微镜图像进行比较，可以清楚地证实轻元素原子存在于重原子之间。

图2：原子链中所含轻元素的可视化 Cs：铯 I：碘

所开发的方法不仅可以用于识别轻元素位置，还可以用于了解每个原子的化学性质。例如，对于不同状态的锂原子，通过比较EELS获得的锂信号（图3），可以理解，根据成键原子的数量，信号是不同的。这样，根据从EELS获得的信号形式和峰值位置，可以了解化学状态（有关原子如何形成的信息。到目前为止，主要使用根据与锂原子键合的不同原子的分析结果来推测锂状态的过程。然而，通过开发的方法可以直接分析键，例如锂等轻元素的键合状态。因此，有可能比使用传统方法更精确地了解化学反应过程中的锂状态。

图3：锂原子化学性质的差异

虽然研究人员使用了碳纳米管等屏蔽材料，但为了减少电子束的损伤，他们打算重点开发损伤较小条件下的测量方法，旨在不使用任何屏蔽材料的情况下观测轻元素。这将实现对化学反应过程中轻元素的直接观察。